電子設(shè)計競賽 寬帶直流放大器

1、寬帶放大器、數(shù)字濾波器設(shè)計報告參賽院校：山東大學信息科學與工程學院參賽隊員：馬衍慶、趙海明、郭帥帥日期：2010-8-27目錄一、 摘要3 二、 正文3 2.1引言32.2方案論證32.3各個模塊實現(xiàn)原理42.4系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)據(jù)分析82.5結(jié)論和改進措施11三、 參考文獻11四、 附錄11一、摘要本設(shè)計基于運算放大器TL084進行寬帶直流放大器進行設(shè)計，實現(xiàn)了放大倍數(shù)0到40DB可調(diào)，帶寬在300KHz450KHz之間，輸入電阻為50歐姆，輸出電阻為1歐姆左右。并以AVR單片機為控制核心，對放大的信號用液晶12864進行波形檢測顯示，并通過AD、DA可以對信號進行實時回放?；胤挪ㄐ螢檩斎氩ㄐ蔚?

2、/2,并通過軟件計算出信號的有效值，顯示在液晶上。關(guān)鍵詞：寬帶直流放大器 數(shù)字示波器 波形還原電路二、正文2.1引言隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，人們迫切的要求能夠遠距離隨時隨地迅速而準確地傳送多媒體信息。于是，無線通信技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，技術(shù)越來越成熟。而寬帶放大器是音響、有線電視、無線通信中不可缺少的部分，于是人們對它的要求也越來越高。TL084是常用的運算放大器芯片，增益帶寬積為2.5MHz4MHz，每一片中含有四個放大器，是一款非常經(jīng)濟實用的芯片。2.2方案論證方案一：輸入級采用一級跟隨器，輸出級采用一級跟隨器，中間采用兩級反向放大器，前一級固定放大在10倍（20DB）左右，后一級放大調(diào)整到放

3、大倍數(shù)010倍，總的放大增益為040DB。方案二：輸入級采用一級正向放大器，中間采用兩級反向放大器，在第三級放大器設(shè)置為06.36DB可調(diào)。第一級放大倍數(shù)為6倍，第二級放大倍數(shù)為4倍。方案三：輸入級采用正向放大器，中間采用兩級反向放大器，輸出級采用反向放大器，每一級的放大倍數(shù)10DB，其中第二級和第三級設(shè)置成可調(diào)，即（010DB）。方案一和方案二相比較，采用兩級放大，在相同增益帶寬積和總放大倍數(shù)一定的情況下，其3DB帶寬不如三級放大。方案三和方案二比較，輸出隔離不理想，輸出電阻偏大。綜上我們設(shè)計采用方案二。方案證明：已知TL084的增益帶寬積為GBP（2.5MHz4MHz），放大器的增益為04

4、0DB可調(diào)，即放大器的放大倍數(shù)在0100倍之間。為方便計算取GBP=4MHz，A=100.公式一.公式二公式三由公式一、公式二、公式三和基本不等式可以推出：當j=2時，即采用兩級放大，當時，的最大值為283KHz當j=3時，即采用三級放大，當時，的最大值為430.1KHz2.3各個模塊的實現(xiàn)原理寬帶直流放大器模塊：本模塊設(shè)計使用三級放大器和一級跟隨器，第一級使用正向放大器，放大倍數(shù)為6倍，第二級采用反向放大器，放大倍數(shù)為4倍，第三級采用可調(diào)的反向放大器，放大倍數(shù)為0到6.36倍可調(diào)。由公式三理論推算放大器整個的放大倍數(shù)為0152.6倍，即043.7DB。由公式一、二理論推算放大器的3DB帶寬范

5、圍：0410KHz。原理圖：圖一：寬帶直流放大器原理圖原理圖仿真：圖二：原理圖仿真圖硬件焊接：AD與DA模塊：本模塊采用MAX118作為AD芯片，以MAX539作為DA芯片，進行設(shè)計，由AVR單片機進行控制。：基本的調(diào)試思路端口初始化時序產(chǎn)生轉(zhuǎn)換完成讀取輸出是否圖三：的調(diào)試流程簡介：MAX539是低功率，電壓輸出12-bitDAC，+5 V單電源操作。也可在± 5V電源操作。 MAX539 只有 140A工作電流。MAX539為8引腳DIP和SO封裝。無需外部電阻器或運算放大器。輸出緩沖區(qū)是一 個單位增益穩(wěn)定，軌到軌輸出的BiCMOS 運算放大器。 輸入失調(diào)電壓和共模抑制比是修正以達

6、到更好的超過12位性能。 建立時間是25s到 0.01的最終價值?？梢则?qū)動一個2K的直流負載。基本調(diào)試思路：端口初始化時序產(chǎn)生預置數(shù)輸出圖四：MAX539的調(diào)試流程液晶顯示模塊：本ST7920 點矩陣LCD控制/驅(qū)動IC，可以顯示字母、數(shù)字符號、 文字型及自訂圖塊顯示，它可以提供 種控制介面，分別是8位元微處理器介面, 4位元微處理器介面及串列介面；所有的功能，包含顯示RAM，字型產(chǎn)生器，以及液晶驅(qū)動電路和控制器，都包含在 個單晶片里面，只要 個最小的微處理系統(tǒng)，就可以操作本LCD控制/驅(qū)動IC。ST7920 的字型ROM 包括8192個16X16點的 文字形以及126個16X8點半寬的字母符

7、號字型， 另外繪圖顯示畫面提供 個64x256點的繪圖區(qū)域（GDRAM）及240點的ICON RAM，可以和文字畫面混和顯示，而且ST7920內(nèi)含CGRAM提供4組軟體可程式規(guī)劃的16X16造字功能。ST7920 具有低功率電源消耗 (2.7V to 5.5V) 可以提供電池操作攜帶式產(chǎn)品的省電需求。ST7920 LCD驅(qū)動器由33個common及64個segment所組成，Segment驅(qū)動器的擴充可以視需要由ST7921 Segment驅(qū)動器來提供擴充顯示范圍的任務， 個ST7920可以顯示到1行8個字或是2行4個字，或是配合ST7921使用2行16個字的顯示。液晶顯示實驗波形程序框圖：調(diào)

8、試液晶液晶顯示基本字符液晶顯示文字圖五：液晶調(diào)試流程液晶畫圖程序流程：液晶初始化顯示頻率、幅值讀取GDRAM中的數(shù)據(jù)確定地址坐標，畫圖顯示判斷圖形是否更新測頻，測幅值清屏是否電源模塊:線性穩(wěn)壓電源，具有完全獨立的四組穩(wěn)壓輸出，分別為兩組5V和兩組12V，可以連成正負雙電源。其中一個5V輸出為兩片7805并聯(lián)，可輸出大電流。矩陣鍵盤模塊：采用電阻分壓式結(jié)構(gòu)，只需一個I/O口就可完成16個按鍵的掃描，并能解決多建同時按下時的沖突。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計只需要7只電阻，并且受電阻阻值誤差的影響小，工作穩(wěn)定可靠。單片機控制模塊：采用高速的8位單片機ATMEGA32。其產(chǎn)品特性有：高性能、 低功耗的 8 位AVR

9、® 微處理器、 先進的RISC 結(jié)構(gòu)、131 條指令、 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期、 32個8位通用工作寄存器、全靜態(tài)工作、工作于16 MHz時性能高達16 MIPS、只需兩個時鐘周期的硬件乘法器、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器、32K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、擦寫壽命:10,000 次、具有獨立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)、通過片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程、1024 字節(jié)的EEPROM、2K字節(jié)片內(nèi)SRAM、可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密、JTAG 接口( 與IEEE 1149.1 標準兼容)、符合JTAG 標準的邊界掃描功能、支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能、通過JTA

10、G 接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。 外設(shè)特點： 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器、一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器、具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC、四通道PWM 8路10 位ADC、8 個單端通道、TQFP 封裝的7 個差分通道、2 個具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道、面向字節(jié)的兩線接口、可編程的串行USART、可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口、具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、特殊的處理器特點、上電復位以及可編程的掉電檢測。片內(nèi)經(jīng)過標定的RC 振蕩器、片內(nèi)/ 片外中斷源

11、，6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、 省電模式、 掉電模式、 Standby 模式以及擴展的Standby 模式。 I/O 和封裝：32 個可編程的I/O 口，40引腳PDIP 封裝, 44 引腳TQFP 封裝, 與44 引腳MLF 封裝。工作電壓ATmega32L：2.7 - 5.5V、ATmega32：4.5 - 5.5V。速度等級:ATmega32L：0 - 8 MHz、ATmega32：0 - 16 MHz。ATmega32L 在1 MHz,3V, 25°C 時的功耗為：正常模式: 1.1 mA、空閑模式: 0.35 mA、掉電模式: <1 A。2.4系統(tǒng)

12、測試和數(shù)據(jù)分析測試儀器：信號發(fā)生器，示波器測試方法和相關(guān)測試數(shù)據(jù)：采用函數(shù)發(fā)生器50歐姆輸出端分別產(chǎn)生10mv輸入信號和1mv輸入信號夾在放大器的輸入端，用雙蹤示波器觀察輸入信號和輸出信號，分別將放大倍數(shù)調(diào)整到10DB，20DB，30DB，40DB，測量3DB帶寬和1DB帶寬，并計算出相應的增益帶寬積，如表一、表二所示。帶寬放大倍數(shù)3 DB帶寬（）帶寬（）增益帶寬積10 DB.1.299MHz20 DB.4503MHz30 DB.9786MHz40 DB.3148MHz表一：輸入不同增益帶寬帶寬放大倍數(shù)3 DB帶寬（）帶寬（）增益帶寬積10 DB.，1296MHz20 DB3.033MHz30

13、 DB8.778MHz40 DB2841MHz表二：輸入不同增益帶寬實驗中我們采用的公式法對輸出電阻進行測量，其測量電路為圖五：放大器輸出電阻Ro的測量測試方法：分別測出負載開路時輸出電壓Vo和帶上負載RL的輸出電壓Vo計算公式：.公式四測試結(jié)果見表三輸入信號頻率（KHz）放大倍數(shù)Vpp(mv)VoRL（歐姆）Vo輸出電阻R（歐姆）36.4640DB14.01.40V33136V0.9736.4520DB13.2132mv33128mv1.0336.4510DB12.840.2mv3340mv0165表三：輸出電阻的測量實驗中我們采用電阻分壓法對輸入電阻進行測量圖六：放大器輸入電阻Ri的測量測

14、試方法：以信號源50歐姆內(nèi)阻為基準，使其和放大器輸入電阻分壓，分別用示波器觀察信號源開路的信號的峰峰值Vpp和把信號源加到放大器輸入端時信號峰峰值Vpp。即Vss=Vpp，Vi=Vpp。計算公式：測試結(jié)果見表四：輸入信號頻率Vpp(mv)Vpp（1）(mv)輸入電阻R1Khz23.211.650歐姆表四：輸入電阻測量波形顯示：2.5結(jié)論和改進措施本設(shè)計基于運算放大器TL084進行寬帶直流放大器進行設(shè)計，實現(xiàn)了放大倍數(shù)0到40DB可調(diào)，帶寬在300KHz450KHz之間，輸入電阻為50歐姆，輸出電阻為1歐姆左右。輸出波形穩(wěn)定，沒有雜波干擾。改進措施：、 本設(shè)計沒有使用最佳放大增益倍數(shù)，進行三級放大器配置，使得實際帶寬和理論最佳帶寬有一定的差距。可改變相應的電阻，將R1改成.，將改成，使其更為接近理論帶寬。、 本設(shè)計中放大倍數(shù)為，的帶寬，帶寬與放大倍數(shù)為的帶寬差異并不是很大?？稍O(shè)置相應跳線和開關(guān)使得采用一級放大，其帶寬可達到接近，采用兩級放大，其帶寬可在到